电动汽车动力电池热管理系统设计目标及流程-欧洲杯买球app

动力电池热管理是影响电动汽车电池效能的重要因素，对它的研究有助于电池效能的提高，进而提升电动汽车的整体质量。动力电池热管理系统分为冷却系统、加热系统和保温系统，本文在对电池热管理系统分析的基础上，论述了动力电池热管理系统设计的总体流程。

目前，市场上主流的纯电动汽车所使用的动力电池多以锂离子电池作为主要的动力载体，且是由多个单体锂电池通过串、并联方式组成电池模组。锂离子电池在进行充放电时，电池的内部化学物质将化学能转化为热量，从而产生大量的热量。如果这部分热量不能进行及时散发到外界，就会导致电池局部温度快速上升，电池使用寿命不但会快速衰减，甚至会造成电池热失控，导致汽车发生爆燃，这也正是现阶段电动汽车所面临的最大安全考虑因素。

忽略其他外在因素，就动力电池而言，电池温度上升，电池内阻减小，电池效率提高。但温度的升高，又会加速电池内部有害化学反应速率，进而使电池内部的物质加速衰减。一般来说，温度上升10℃，化学反应速率增加一倍。

（图-1 典型电池不同温度、不同循环次数下容量衰减程度实验结果）

图-1是实验获得的几种典型电池在不同温度、不同循环次数下的电池容量变化。ni-mh 电池在45℃条件下工作时，其循环寿命缩短60%，高倍率充电时，温度每上升 5℃，其电池寿命衰减一半。ni-mh电池的最佳工作温度范围为20~40℃；对于铅酸电池，是25~45℃。相关测试机构对索尼18650(容量1.8 ah) li-ion电池的循环性能进行了研究，电池在25℃和45℃时工作800个循环之后，电池容量分别下降31%和36%；当工作温度为50℃时，600个循环后电池容量下降60%；工作温度为55℃时，500个循环之后，容量下降70%。当动力电池温度过低时，电池的容量和寿命同样会极大衰减。可能的原因包括电解液受冻凝固等。对于部分地区，冬季气温常低于-20℃，电池基本不能放电或放电深度较浅。

电池热管理系统的目标

为保证电动车的动力性能及安全性，电池系统的热管理有以下几个目标：

1.保证单体电池处于适宜的工作温度范围，能够在高温环境中将热量及时转移、低温环境中迅速加热或者保温；

2.减小单体电池内部不同部位之间的温度差异，保证单体电池的温度分布均匀；

3.保持电池组内部的温度均衡，以避免电池间的不平衡而降低性能；

4.消除因热失控引发电池失效甚至爆炸等危险；

5.满足电动汽车轻型、紧凑的要求，成本低廉、安装与维护简便；

6.有效通风，保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出，保证使用电池安全性；

7.温度等相关参数实现精确灵敏的监控管理，制定合理的异常情况应对策略。

池热管理设计的热学信息确定

电池发热速率

锂离子电池在充放电循环过程中伴随有各种热量的吸收或产生，并导致其内部温度发生变化。充电时一部分电能转化为化学能储存在电池中，一部分被可逆吸热存储在电池中，还有一部分因转化为不可逆热而损耗。放电过程则放出电能，可逆热和不可逆热。

电池热量计算公式，可以使用如下公式示意性描述：

电池总的产热量：q = qr qp qs qj qab

不可逆热：qir = qp qs

化学反应熵变产生的可逆热qr，电极因极化产生的极化热qp，因电阻产生的焦耳热qj，电池本身因温度升高而吸收的热量qab，电池内部因发生副反应所产生的热量qs等。

（图-2 中航锂电70a.h磷酸铁锂动力电池全内阻和欧姆内阻随温度、soc的变化曲线测试值 ）

电池的发热速率不是一个固定值。动力电池充放电过程中，电池内部化学反应复杂。热量的产生与电池的类型、充放电速率和工作温度都直接相关，产热机理影响因素的复杂性使得很难直接使用数值方法对电池的发热速率进行模拟计算。下图是50℃工作环境温度下某lifepo4锂离子电池在1c充放电时电压和热流随时间的变化曲线，可见其综合热流密度随时间变化的复杂程度。表格中对比的该电池在不同放电倍率、不同工作温度下的发热量，亦表现出极大不同。

（图-3 50℃工作环境温度下cr2025型lifepo4锂离子电池在1c充放电时电压和热流随时间的变化曲线）

（表-1 不同工作环境温度下cr2025型lifepo4锂离子电池在不同放电倍率下产热量对比（负号表示放出热量）

上述图表仅表述的是lifepo4锂离子电池的相关实测数据，当电池类型变更，电池的放热特点又有不同。目前，通常采用的研究方法是实验与数值模拟相结合：首先使用试验方法测量典型电池在某些典型温度、不同充放电速率下的产热速率，获得的测试数据通过拟合物理控制方程得出等效的反应热参数，将这些反应热参数加载到数值模拟的模型中，模拟电池在温度连续变化时的电池发热速率。

电池性能参数的考虑

在系统方案设计时，必须考虑电池的导热系数、密度以及比热容。其中：

密度：可以通过测试电池体积和质量，根据密度的定义直接获得；

比热容：可以通过测试将电池温度升高特定的温度值，测量所需的热量获取；

导热系数：导热系数是矢量，由于电池由多种材质组合而成，在不同方向上，材质并不相同。导热系数的确定，需要获得电池内部的详细成分构成及对应的几何尺寸参数，通过当量导热系数的计算公式分别获取。

下表为中航锂电70a.h磷酸铁锂动力电池的当量热物理参数和内部相应的内部组成材料属性。

（表-2 中航锂电70a.h磷酸铁锂动力电池热物理参数）

当发热速率、导热系数、密度、比热容被确定下来，电池热管理系统所使用的热设计知识与传统的电子产品就非常类似了。电池在系统中无论是通过仿真还是理论计算时，都可以直接被等效成一个发热块体，从而计算其所需要的冷却设备。